Растения-«везунчики»: как флора переживает катастрофы и что это значит для будущего

Около 251 миллиона лет назад вулканические извержения уничтожили большую часть жизни на Земле. Примерно миллион лет Сибирские траппы в России выбрасывали в атмосферу огромные облака углекислого газа, что привело к самому суровому вымиранию в истории нашей планеты.

Приэкваториальные температуры резко выросли, сделав большую часть суши слишком горячей для жизни. Тем временем океаны закислились, и большинство существ в них задохнулись от нехватки кислорода. Это событие, известное как пермско-триасовое массовое вымирание, или «Великое вымирание», в итоге уничтожило более 90% морской жизни и 70% наземных видов.

Однако в уголке того, что сейчас является Китаем, убежище пыльценосных растений избежало этой участи и создало оазис для выживших животных. Исследования предполагают, что это было не единственное место, где растения смогли пережить катастрофическое изменение климата во время Великого вымирания, и что растения, возможно, были лучше способны противостоять событию вымирания, чем другие организмы.

«Растения действительно иногда обладают большой устойчивостью, потому что они не могут перемещаться поодиночке, и даже как популяция они не очень хорошо перемещаются», — рассказал Live Science Крис Томас, эколог и эволюционный биолог из Университета Йорка в Великобритании. В результате, по его словам, многие растения выработали механизмы, позволяющие им выживать на месте, несмотря на трудные условия.

Поскольку изменение климата повышает глобальные температуры и ввергает экосистемы в хаос, растениям придётся снова полагаться на эту устойчивость. Многие виды растений выработали уникальные адаптации, помогающие им переносить суровые условия. Эксперты рассказали Live Science, что эти адаптации — наряду с изрядной долей удачи — теперь будут определять разницу между выживанием и вымиранием.

Расти вместе с течением

В отличие от большинства животных, многие растения обладают способностью регенерировать части — и эти части могут делать их более способными адаптироваться к новым условиям окружающей среды. В целом растения обладают более высокой онтогенетической пластичностью, чем животные, что означает, что у них больше гибкости в том, как растут и развиваются их клетки и ткани.

«Многие растения имеют то, что мы называем неопределённым ростом и модульным планом строения тела», — рассказала Live Science Эми Энгерт, ботаник из Университета Британской Колумбии в Канаде. Неопределённый рост означает, что организм продолжает расти и развиваться бесконечно на протяжении всей своей жизни.

«Если бы мы потеряли руку, она исчезла бы навсегда. Но у растений, если вы отрежете ветку, они могут выпустить новые, и эти новые ветки затем могут получать сигналы из текущей среды, вместо того чтобы быть привязанными к своего рода программам развития из прошлой среды».

Например, исследователи обнаружили, что новые побеги на каменных дубах (Quercus ilex) лучше справляются с засухой, чем те, что не давали новых побегов.

А поскольку почки могут находиться в состоянии покоя, многие виды растений могут отрастать после катастрофических событий, таких как пожар. Капская флористическая область в Южной Африке, например, — самое маленькое из шести признанных цветочных царств мира, и большинство её видов растений зависят от огня: их растения отрастают после пожара, а многие их семена требуют огня для прорастания.

Некоторые растения, такие как снежная камедь (Eucalyptus pauciflora), имеют толстый слой изолирующей коры для защиты своих почек, в то время как другие, например крапива двудомная (Urtica dioica), прячут их под землёй в «банке почек». Почва изолирует почки семян от экстремальной жары и холода и защищает большую часть растения от угрожающих жизни условий. Эта широко распространённая адаптация позволяет травянистым растениям переживать зиму, а растениям с луковицами — скрывать свои ткани от разрушительного воздействия огня.

Запасание семян на лучшие времена

Растения также могут запасать семена под землёй, когда времена трудные. Почти 350 000 видов растений производят семена. У большинства из этих видов семена содержат покоящиеся крошечные версии молодого растения со всеми структурами, которые превратятся в листья и корни.

«Семена могут существовать по сути в стазисе в почве», — рассказал Live Science Дэниел Анстетт, эволюционный эколог из Корнеллского университета. «Может существовать банк семян, где определённые семена могут вернуться, и есть доступ к своего рода библиотеке генетической информации, к которой многие растения в конечном итоге могут обратиться».

Банки семян — жизненно важный инструмент устойчивости для многих видов растений. Они создают возможность для метаболически неактивных особей ожить, когда условия окружающей среды улучшатся, согласно статье 2021 года, опубликованной в журнале Nature Communications. «При удаче по крайней мере некоторые из этих особей проснутся в будущем, когда окружающая среда будет более благоприятной для роста и размножения», — писали авторы.

Быстрая эволюция

Банки семян также могут быть резервуарами генетического разнообразия, что необходимо для способности адаптироваться к новым условиям.

«Сырьё для адаптации происходит из генетической изменчивости», — сказала Энгерт. «Генетическая изменчивость больше в больших популяциях, и генетическая изменчивость может共享ся между популяциями по мере изменения окружающей среды — если особи могут успешно расселяться между ними».

В статье, опубликованной в журнале Science ранее в этом году, исследователи, включая Энгерт и Анстетта, показали, что быстрая эволюция спасла популяции алого обезьяньего цветка (Erythranthe cardinalis) от продолжительной засухи в США и Мексике в период с 2010 по 2018 год.

«Они могут либо расти очень быстро, цвести и давать семена до наступления осенней засухи, либо расти гораздо медленнее и затаиться», — объяснил Анстетт.

Исследователи секвенировали геномы 55 популяций алого обезьяньего цветка, чтобы найти участки в их геномах, связанные со стрессом и засухой. Они отслеживали популяции и то, как они менялись за этот период. Некоторые популяции претерпели быструю эволюцию, чтобы справиться с меняющейся средой.

Они обнаружили, что, основываясь на генетическом разнообразии популяций, они могли предсказать, сможет ли популяция пережить засуху — ещё до её начала.

Хотя это только один вид растений, Анстетт считает, что это может быть верно и для других организмов.

Гибкий фотосинтез

Некоторые растения способны изменять то, как они производят энергию, чтобы переносить меняющуюся среду. Именно это, по мнению Чжэнь Сюй, палеоботаника из Университета Лидса в Великобритании, позволило некоторым видам растений пережить пермско-триасовое массовое вымирание и может стать всё более важным для растений в сегодняшнем меняющемся климате.

Растения используют фотосинтез для превращения углекислого газа и воды в сахара и кислород, а также используют устьица, или мелкие поры на поверхности листьев, для регулирования количества углекислого газа, поступающего в растение.

Многие растения открывают свои устьица в течение дня, чтобы впустить CO2 и выпустить кислород. Другие используют CAM-фотосинтез, что расшифровывается как «метаболизм кислот по типу толстянковых», чтобы закрывать устьица в течение дня и защищаться от жары. Ночью они поглощают CO2 и превращают его в кислоту, которую запасают в своих тканях для использования при производстве сахаров в течение дня.

«CAM-фотосинтез очень распространён у современных пустынных растений, таких как кактусы и суккуленты», — рассказала Live Science Сюй. «Это очень умный способ избежать высокой температуры или засушливости в дневное время».

В исследовании, опубликованном в журнале Nature Ecology & Evolution ранее в этом году, Сюй и коллеги показали, что растения, использовавшие CAM-фотосинтез, имели преимущество во время пермско-триасового массового вымирания.

Они обнаружили, что плауновидные, или древние сосудистые растения, перешли на CAM-фотосинтез примерно во время массового вымирания. «Мы думаем, что CAM-фотосинтез мог быть особой стратегией выживания» и позволил этим растениям доминировать после массового вымирания, сказала Сюй.

«Монстры надежды»

Некоторые растения идут на ещё более экстремальные меры. Во время катастрофических событий растения превращались в «монстров надежды», чтобы пережить экологический переворот, показывают прошлые исследования.

В девяти отдельных событиях за последние 150 миллионов лет многие цветковые растения дублировали весь свой геном, чтобы дать себе лучший шанс на выживание, согласно исследованию, опубликованному в журнале Cell ранее в этом году. Дублированный геном даёт им больше возможностей для эволюции и адаптации к сложным условиям окружающей среды.

«Мы видим кластеризацию дупликаций целых геномов во времени, и каждый раз это соответствует описанному важному геологическому событию, будь то период глобального похолодания, период глобального потепления или событие вымирания», — рассказал тогда Live Science соавтор исследования Ив Ван де Пир, геномный биолог из Гентского университета в Бельгии.

Всё сводится к удаче

Тем не менее, выживание конкретных популяций или видов растений часто сводится к удаче, рассказали эксперты Live Science.

У растений «по сути есть этот широкий набор инструментов», но «у некоторых растений есть одни пути, у других — другие, у некоторых есть одни признаки, у некоторых — другие», — сказал Анстетт. Помогут ли конкретные имеющиеся у них инструменты, зависит от условий, с которыми они сталкиваются.

Во время триасово-пермского массового вымирания растения в убежищах в Китае (и в других местах) оказались в нужном месте в нужное время, с нужным набором потенциальных адаптаций в своём распоряжении и достаточным генетическим разнообразием, чтобы их задействовать.

То же самое верно и для современных видов, сталкивающихся с меняющимся климатом и потенциальным вымиранием. Энгерт сказала, что есть способы сделать виды растений «более удачливыми» в ближайшие годы, например, соединить фрагментированные популяции, чтобы увеличить генетическое разнообразие, что расширяет набор потенциальных инструментов в распоряжении вида растений.

«Лучшее, что мы могли бы сделать, — это оставить более крупные и лучше связанные популяции на ландшафте», — сказала она.

Анстетт согласился. «Если популяции станут действительно разобщёнными, то потенциально мы разрушаем тот самый набор инструментов, который есть у этих растений для адаптации».

Источники: Live Science, Nature Communications, Science, Nature Ecology & Evolution, Cell.